CN107419327A - 高能x射线三维空间成像用布里奇曼炉 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高能X射线三维空间成像用布里奇曼炉，目的在于针对现有高能X射线辐射成像布里奇曼炉存在的不足，提出一种操作更简单，功能更全面，且能够实现金属凝固界面三维空间立体成像的布里奇曼炉；为了实现上述目的，本发明的技术方案设计一种适用于同步辐射线站用的金属熔体凝固界面三维成像布里奇曼炉，包括炉体、样品架和样品旋转平台。
Description
技术领域：
本发明涉及一种适用于同步辐射线站高能X射线三维空间成像用布里奇曼炉，属于凝固研究技术领域。
技术背景：
近年来，随着我过航空、航天、核电、热电等战略性新兴产业的快速发展，新材料研发和制备领域受到越来越严峻的挑战；其中以航空发动机用单晶涡轮叶片为例，尽管我国单晶涡轮叶片生产研究历史已经超过30年，但是我们始终没有掌握其核心技术，仍然要依靠国外的几家公司为我们提供大部分商用单晶叶片；单晶叶片的生产是一个涉及凝固、热处理、表面处理、机械加工等多个生产工艺的复杂流程，其中凝固是整个生产过程的重中之重，而单晶叶片凝固过程中的原子堆垛和界面迁移是单晶叶片凝固过程的核心研究问题。
由于金属熔体本身对可见光的不可穿透性，其凝固过程的直接观察在很长的一段时间内都难以进行；传统都采用有机溶剂或部分铵盐的凝固结晶过程模拟金属熔体的凝固过程，然而，这种方法毕竟是采用一个完全不同的体系去模拟另外一个体系的凝固，其凝固生长过程不能完全反应金属凝固过程的特征。
随着同步辐射光源线站的发展，国内外研究者利用第三代的同步辐射光源（我国的上海同步辐射线站属于第四代技术）成功地对金属凝固过程中的凝固界面迁移和枝晶生长行为进行了研究；同步辐射X射线成像技术具有高能量、高穿透性、高分辨率以及单色性好等优点，能够满足对枝晶生长的实时成像要求，但观察金属凝固组织不但对光源质量有要求，对凝固环境创建也有一定要求，这就对同步辐射炉提出了苛刻的要求。
目前，上海交通大学和大连理工大学都已经成功地开发出了金属凝固过程枝晶生长观测用同步辐射炉，并在研究过程中取得了不错的科研成果。但是其观测图像仅限于二维空间，不能够全面反映金属凝固过程的枝晶生长过程。
发明内容：
本发明专利的目的在于针对现有高能X射线辐射成像布里奇曼炉存在的不足，提出一种操作更简单，功能更全面，且能够实现金属凝固界面三维空间立体成像的布里奇曼炉。
为了实现上述目的，本发明专利的技术方案设计一种适用于同步辐射线站用的金属熔体凝固界面三维成像布里奇曼炉，包括炉体、样品架和样品旋转平台。
所述炉体主要由加热器、炉壳、炉膛以及炉壳与炉膛之间填充的保温材料组成。
所述炉膛从下往上依次包括：顶部高温区，底部低温区。
所述炉膛的顶部由氧化铝陶瓷保温棉制成保温层，能够有效地防止热量扩散，有利于炉膛高温区整体温度均匀和温度恒定。
所述炉膛的底部由T2紫铜板制成隔热层，并可以通水冷却，能够带走炉膛底部的多余热量，从而在炉膛内部创造出较高的温度梯度。
所述炉膛顶部和炉膛底部分别设有用来监测温度的热电偶以及由PID温度控制程序控制的加热器；热电偶用来监测炉膛不同区域的温度，显示炉膛内的温度梯度，PID温度控制模块控制加热器，可实现对炉膛温度的微弱调整控制。
优选的，所述炉膛内的加热器采用红外加热器，能够在极短的时间内提高炉膛的温度。
所述试样架由坩埚、样品架支架和样品架固定法兰组成。
所述坩埚通过高温耐火填充材料固定在样品架支架的顶部。
优选的，所述样品坩埚采用高纯石英玻璃。
优选的，所述高温耐火填充材料选用石英砂和水玻璃混合而成。
所述试样架通过顶部的固定法兰固定在五维移动平台上。
所述的五维移动平台通过调节前后、左右、上下以及角度的位置，从而保证试样坩埚与高能X射线垂直。
所述五维移动平台能够实现360°旋转，从而实现金属熔体凝固界面和枝晶生长形态的三维空间立体成像。
附图说明：
图1是本发明专利的示意图。
1-炉体，2-样品架，3-加热体，4-冷却体，5-上炉膛，6-下炉膛，7-上部热电偶，8-下部热电偶，9-炉壳，10-T2紫铜板，11-样品架固定法兰，12-五维移动平台。
具体实施步骤：
下面结合附图和实施例，对本发明专利的具体实施方式做进一步的描述，以下实施例仅用于更加清楚说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明专利的保护范围。
本发明专利的具体实施技术方案是：
如图1所示，一种适用于同步辐射线站用金属熔体凝固生长界面三维成像布里奇曼炉，包括炉体、样品架和样品旋转平台。
所述炉体主要由加热体3和冷却体4、炉壳9、上部炉膛5以及炉壳9与上部炉膛5之间填充的保温材料组成。
炉体内的上部炉膛为高温区，下部炉膛为低温区；炉膛的顶部由氧化铝陶瓷保温棉制成保温层，能够有效地防止热量扩散，有利于炉膛高温区整体温度均匀和温度恒定；炉膛的底部由T2紫铜板10封闭，并在必要的时候通水冷却，能够带走炉膛底部的多余热量，从而在炉膛内部创造出较高的温度梯度。在炉膛顶部和炉膛底部分别设有用来监测温度的热电偶以及由PID温度控制程序控制的加热器3；热电偶用来监测炉膛不同区域的温度，显示炉膛内的温度梯度。PID温度控制模块控制加热器3，可实现对炉膛温度的微弱调整控制；炉膛内的加热器3采用红外加热器，能够在极短的时间内提高炉膛的温度。
炉体1被高温填充材料固定在样品架顶部，本实施步骤中炉体选用高纯石英坩埚能被高能X射线轻松穿透，且无其它任何干扰，高温填充材料选用石英砂和水玻璃混合而成，样品架2通过样品架固定法兰11五维移动平台12连接，通过移动五维移动平台的不同坐标轴，能够实现石英坩埚的位置调整。
本发明专利可以根据不同金属的物理性质，设置高温区和低温区的温度，从而创造出不同温度梯度的温度场，同时五维移动平台也可上下移动调整坩埚的位置，从而创造出最适宜金属凝固的温度梯度。同时本发明专利还可以根据不同金属的物理性质，设定五维移动平台的旋转速度，实现对金属凝固生长过程的三维空间立体成像的稳定观测。
以上是本发明专利的优选实施方式，应当指出，对于技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明专利原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应当视为本发明专利的保护范围。
Claims (5)
1.一种适高能X射线三维空间成像用布里奇曼炉，包括炉体（1）、样品架（2）和样品旋转平台。
2.根据权利要求1所述炉体主要由加热器（3）、炉壳（9）、上部炉膛（5）、下部炉膛（6）以及炉壳（9）与炉膛之间填充的保温材料组成；所述炉膛从下往上依次包括：顶部高温区，底部低温区；
1-炉体，2-样品架，3-加热器，4-冷却体，5-上部炉膛，6-下部炉膛，7-上部热电偶，8-下部热电偶，9-炉壳，10-紫铜板，11-样品架固定法兰，12-五维移动平台。
3.根据权利要求2所述炉膛的顶部由氧化铝陶瓷保温棉制成保温层，能够有效地防止热量扩散，有利于炉膛高温区整体温度均匀和温度恒定；所述炉膛的底部由T2紫铜板10制成隔热层，并可以通水冷却，能够带走炉膛底部的多余热量，从而在炉膛内部创造出较高的温度梯度。
4.根据权利要求2所述上部炉膛（5）和下部炉膛（6）分别设有用来监测温度的热电偶以及由PID温度控制程序控制的加热器；上部热电偶（7）和下部热电偶（8）用来监测炉膛不同区域的温度，显示炉膛内的温度梯度；PID温度控制模块控制加热器，可实现对炉膛温度的微弱调整控制。
5.根据权利要求2所述炉膛内的加热器（3）采用红外加热器，能够在极短的时间内提高炉膛的温度；所述试样架由炉体（1）、样品架（2）支架和样品架固定法兰（11）组成；所述坩埚通过高温耐火填充材料固定在样品架支架的顶部；所述样品坩埚采用高纯石英玻璃；所述高温耐火填充材料选用石英砂和水玻璃混合而成；所述试样架通过顶部的固定法兰固定在五维移动平台上；所述的五维移动平台（12）通过调节前后、左右、上下以及角度的位置，从而保证试样坩埚与高能X射线垂直；所述五维移动平台能够实现360°旋转，从而实现金属熔体凝固界面和枝晶生长形态的三维空间立体成像。
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Cited By (2)
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| CN112229866A (zh) * | 2020-10-09 | 2021-01-15 | 大连理工大学 | 适用于同步辐射下原位观测金属凝固的外设系统 |
| CN114994449A (zh) * | 2022-07-18 | 2022-09-02 | 中国电子产品可靠性与环境试验研究所（（工业和信息化部电子第五研究所）（中国赛宝实验室）） | 电子材料的兼容性测试装置、方法和计算机设备 |
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| CN101482525A (zh) * | 2009-02-05 | 2009-07-15 | 上海交通大学 | 用于取向织构测量的高温加热装置 |
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| CN104165898A (zh) * | 2014-08-21 | 2014-11-26 | 共慧冶金设备科技(苏州)有限公司 | 大温度梯度布里奇曼炉 |
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2017
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